【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 航硬件系統(tǒng)概述本系統(tǒng)要求在強(qiáng)烈的震動(dòng)沖擊、高低溫等惡劣條件下仍能正常工作，通訊系統(tǒng)也必須有足夠的可靠性。同時(shí)，針對(duì)具體的用戶和操作人員，應(yīng)該做到操作簡(jiǎn)單、安全可靠、自動(dòng)控制等。針對(duì)這些具體的要求，本文提出了一套定位導(dǎo)航系統(tǒng)的整體方案和設(shè)計(jì)思想，對(duì)信號(hào)的接收做了研究。 車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成(1)GPS接收機(jī)(2)車載計(jì)算機(jī)(3)車載控制單元(4)彩色液晶觸摸屏。其中，開發(fā)車載智能系統(tǒng)的車載計(jì)算機(jī)一般是使用便攜計(jì)算機(jī)和使用購(gòu)買的準(zhǔn)計(jì)算機(jī)(如cardPC, PC / 104, palmtopPC等)為基本平臺(tái)，本課題考慮到車載計(jì)算機(jī)體積小、重量輕等特點(diǎn)，一般選用PC/104。 車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)車載位導(dǎo)航系統(tǒng)硬件的整體構(gòu)成如圖31所示。 GPS衛(wèi)星 通訊衛(wèi)星 GPS衛(wèi)星 31 圖車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)硬件的整體構(gòu)成圖GPS接收機(jī)與車載計(jì)算機(jī)通過通訊傳輸轉(zhuǎn)換接口相連接，其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖32所示GPS接收機(jī)通訊傳輸轉(zhuǎn)換接口車載計(jì)算機(jī)車載顯示單元圖32 車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示圖 GPS接收機(jī)的選用 GPS接收機(jī)的分類GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供無(wú)數(shù)用戶共享的信息資源。對(duì)于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有GPS信號(hào)接收機(jī)，就可以在任何時(shí)候用GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位測(cè)量。根據(jù)使用目的的不同，用戶要求的GPS信號(hào)接收機(jī)也各有差異。(1)按接收機(jī)的用途分類①導(dǎo)航型接收機(jī):此類型接收機(jī)主要用于運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航，它可以實(shí)時(shí)給出載體的位置和速度。一般采用C/A碼偽距測(cè)量，單點(diǎn)定位精度較低，一般為士25mm，有SA影響時(shí)為士100mm。這類接收機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，可進(jìn)一步分為:車載型—用于車輛導(dǎo)航定位。航海型—用于船舶導(dǎo)航定位。航空型—用于飛機(jī)導(dǎo)航定位。星載型—用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位。②測(cè)地型接收機(jī):測(cè)地型接收機(jī)主要用于精密大地測(cè)量和精密工程測(cè)量，定位精度高，儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。③授時(shí)型接收機(jī):授時(shí)型接收機(jī)主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時(shí)，常用于天文臺(tái)及無(wú)線電通訊中時(shí)間同步。(2)按接收機(jī)的載波頻率分類①單頻接收機(jī):單頻接收機(jī)只能接收L1載波信號(hào)，測(cè)定載波相位觀測(cè)值進(jìn)行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機(jī)只適用于短基線的精密定位。②雙頻接收機(jī):雙頻接收機(jī)可以同時(shí)接收L1, L2載波信號(hào)。利用雙頻對(duì)電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對(duì)電磁波信號(hào)的延遲的影響，因此雙頻接收機(jī)可用于長(zhǎng)達(dá)幾千公里的精密定位。單雙頻接收機(jī)的性能比較如表31所示表 31 單雙頻接收機(jī)的性能比較表單頻機(jī)雙頻機(jī)技術(shù) 成熟不很成熟產(chǎn)量大（≈100倍）小所需電子元件少多對(duì)微處理器的要求低高昂貴的相關(guān)器和Z碼發(fā)生器不要要P碼影響無(wú)有功耗小大（1≈5倍）體積小大（2≈5倍）重量小大（1≈5倍）故障率（MTBF）低高（好幾倍）信息量小多（1倍）解模糊率速度慢快（幾倍）最大量程（Km）20（有CCD技術(shù)者400）500精度5≈10mm+1≈2ppm5mm+1ppm價(jià)格便宜貴（2≈4）倍(3)按接收機(jī)通道數(shù)分類 GPS接收機(jī)能同時(shí)接收多顆GPS衛(wèi)星的信號(hào)，為了分離接收到的不同衛(wèi)星的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、處理和量測(cè)，具有這樣功能的器件稱其為天線信號(hào)通道。根據(jù)使用的接收機(jī)所具有的通道種類可以分為以下幾類:①多通道接收機(jī)。②序貫通道接收機(jī)。③多路多用通道接收機(jī)。(4)按接收機(jī)工作原理分類①碼相關(guān)型接收機(jī)碼相關(guān)型接收機(jī)是利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測(cè)值。②平方型接收機(jī)平方型接收機(jī)是利用載波信號(hào)的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號(hào)，來恢復(fù)完整的載波信號(hào)，通過相位計(jì)測(cè)定接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的載波信號(hào)與接收到的載波信號(hào)之間的相位差，測(cè)定偽距觀測(cè)值。③混合型接收機(jī)這種儀器是綜合上述兩種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測(cè)值。④干涉型接收機(jī)這種接收機(jī)是將GPS衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測(cè)量方法，測(cè)定兩個(gè)測(cè)站間距離。本文設(shè)計(jì)的車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)需要車載型的導(dǎo)航定位接收機(jī)，而且定位精度要求不是很高，因此采用偽距單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位原理實(shí)現(xiàn)車載的定位要求。 GARMIN GPS25LP接收機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)性能的要求以及成本等等各方面的考慮本文最終選用的就是GARMIN公司的GPS25LP接收機(jī)。GARMIN公司生產(chǎn)的GPS25LP接收機(jī)定位精度不是特別的高，但是對(duì)于民用的導(dǎo)航10m的定位精度已經(jīng)完全足夠。GPS25LP接收機(jī)內(nèi)置GPS25 OEM板，下面對(duì)GPS25 OEM板的原理和性能作以介紹:(1)內(nèi)部原理 GPS25 OEM板具有多個(gè)輸入和輸出接口，可外接各類無(wú)線通訊設(shè)備和計(jì)算機(jī)，因此，可滿足多種車輛對(duì)定位導(dǎo)航的需求。Garmin公司生產(chǎn)的GPS25 OEM的內(nèi)部原理框圖如圖33所示。 (射頻信號(hào))消除噪聲轉(zhuǎn)換器局部振蕩器數(shù)字基頻轉(zhuǎn)換器CPUI/ORAMROM圖33 GPS25 OEM的內(nèi)部原理框圖(2)設(shè)備描述 GPS25LP接收機(jī)是一個(gè)可以應(yīng)用于大范圍頻譜的OEM板。它采用超薄型的設(shè)計(jì)，而且體積小、外形美觀大方，用戶使用方便。整機(jī)防潮、防滴、抗惡劣環(huán)境。其外形如圖34所示。(3)主要功能和特點(diǎn)GPS25LP接收機(jī)，屬于傻瓜機(jī)型，可隨心所欲。它采用單一士5V供電，內(nèi)置保護(hù)電池，具有RS232, TTL兩種電平，可自動(dòng)輸出NMEA 0183語(yǔ)句，同時(shí)支持RTCM差分輸入，提供1PPS秒脈沖。①性能特點(diǎn)接收板結(jié)構(gòu):并行12通道。動(dòng)態(tài)性能:速度:999km/s 。加速度:6g。加加速度:60m/s3 。位時(shí)間:重捕:2sec。熱啟動(dòng):15sec。冷啟動(dòng):45sec。動(dòng)搜索:90sec。定位精度:15mRMS/差分時(shí)5m。坐標(biāo)系統(tǒng):102個(gè)預(yù)定義。一個(gè)用戶自定義。 圖34 Garmin GPS 25 OEM板②接口性能電氣特性:兩個(gè)RS232兼容TTL串行口。通信速率:用戶可選波特率:1200/2400(只發(fā))/4800/9600bps 。數(shù)據(jù)格式:NMEA0183 ， ASCII。輸入數(shù)據(jù):初始位置/日期/時(shí)間，2D/3D方式，坐標(biāo)系統(tǒng)。輸出數(shù)據(jù):位置，速度，時(shí)間，機(jī)器/衛(wèi)星狀態(tài),幾何因子及誤差估計(jì)。秒脈沖輸出:lpps精度士lus。③電氣特性輸入電壓:+/5%。靈敏度:166Dbw。后備電源:板置3V鋰電池(10年壽命)。功耗:1W。④外部接口天線接口:50ohm MCX接頭有源天線(5V)。電源/數(shù)據(jù)口:單排12插針。⑤環(huán)境特性工作溫度:35C+85C。存儲(chǔ)溫度:40C+85CGPS25 OEM板與外界接口的典型連接如圖35所示。串行數(shù)據(jù)線串行數(shù)據(jù)地址1…4…8910…+5V 圖35 GPS25 OEM板與外界接口的典型連接 GPS接收機(jī)與PC機(jī)間的接口電路 GPS Garmin GPS25 OEM對(duì)外具有輸入輸出接口，擁有并行12個(gè)通道，能夠同時(shí)跟蹤12顆GPS導(dǎo)航衛(wèi)星，具有2個(gè)兼容RS232的雙向數(shù)字通道，能同時(shí)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的NMEA0183數(shù)據(jù)，因此可供二次開發(fā)。根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部接口，GPS25 OEM板與PC機(jī)間串行通訊的典型應(yīng)用方案如圖37所示。前置放大器（可選件）電源GARMIN GPS25 傳感器接 收 發(fā) 送 1 2 1 2 秒脈沖同步信號(hào)系統(tǒng)處理器顯示器鍵盤天線射頻信號(hào)+5V圖 37 GPS25 OEM 板與PC機(jī)典型接口電路圖在本課題的實(shí)際應(yīng)用中，由于只需從GPS接收機(jī)中接收定位數(shù)據(jù)，而不需向外發(fā)送任何數(shù)據(jù)，所以僅選擇1個(gè)通道即可。由于設(shè)計(jì)中沒有必要用到GPS OEM板的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖信號(hào)，所以標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖信號(hào)沒有與計(jì)算機(jī)連接。本課題所采用的GPS接收機(jī)與車載計(jì)算機(jī)之間串行通訊的接口電路圖如圖38所示。前置放大器（可選件）電源GARMIN GPS25 LP 傳感器TXT GNDRS232串行口 車載計(jì)算機(jī)射頻信號(hào)天線 圖38 GPS接收機(jī)與車載計(jì)算機(jī)的接口電路圖需要注意的是，GPS25 OEM板需要穩(wěn)定的5V電源，典型工作電流220mA(最大350mA)。本章針對(duì)車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)際性能需要選取了合適的硬件接收設(shè)備，根據(jù)GPS接收機(jī)的接口特點(diǎn)，對(duì)GPS25 OEM板與PC機(jī)間串行通訊的接口電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中，針對(duì)車載系統(tǒng)可能遇到的惡劣條件，對(duì)遇到的電磁干擾、車載電壓轉(zhuǎn)換等問題提出了切實(shí)可行的解決辦法，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)通訊順暢、結(jié)構(gòu)配置安全可靠。第4章 接收機(jī)與計(jì)算機(jī)間通訊的連接設(shè)計(jì)第4章 接收機(jī)與計(jì)算機(jī)間通訊的連接設(shè)計(jì)車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)功能包括：數(shù)據(jù)跟蹤功能,圖上跟蹤功能,模擬顯示功能,智能查詢功能,路徑尋優(yōu)功能,自動(dòng)存檔功能等功能。本文僅對(duì)路徑尋優(yōu)功能做詳盡闡述。 (1)采用地圖匹配技術(shù) 車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)借助車載計(jì)算機(jī)和電子地圖，進(jìn)行地圖匹配(簡(jiǎn)稱MM )，以進(jìn)一步提高車輛定位精度。GPS定位信息和地圖匹配信息采用信息融合技術(shù)將構(gòu)成一個(gè)性能優(yōu)良的車載定位系統(tǒng)，但此方法在有SA政策才有效，而且，要求電子地圖的制作精度較高。(2)地理信息及多媒體技術(shù)有機(jī)結(jié)合車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)將GPS, GIS和多媒體計(jì)算機(jī)三種技術(shù)有機(jī)的組合起來，使得地理信息的顯示更加逼真化、形象化。定位導(dǎo)航系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)圖見附錄。本課題中車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)軟件部分主要分為三大塊:(1)GPS數(shù)據(jù)的接收和處理:利用GPS接收機(jī)串行口通訊將定位所需的經(jīng)、緯度、移動(dòng)速度、時(shí)間等定位導(dǎo)航信息采集到車載計(jì)算機(jī)中，為車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)準(zhǔn)確的定位導(dǎo)航提供有利的數(shù)據(jù)資源。能夠使用戶實(shí)時(shí)清楚所處位置。(2)GPS和GIS(電子地圖)的數(shù)據(jù)通訊和集成:通過OLE(或DDE)等數(shù)據(jù)交換的方法，實(shí)現(xiàn)GPS和GIS兩個(gè)不同系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)通訊，并將這兩個(gè)系統(tǒng)集成化，實(shí)現(xiàn)集成環(huán)境下，電子地圖背景下定位導(dǎo)航信息的實(shí)時(shí)顯示，從而完善整個(gè)系統(tǒng)。(3)GPS信號(hào)與電子地圖匹配:由于車輛在行駛過程中一般不會(huì)脫離道路，可根據(jù)GPS得到的定位結(jié)果，利用地圖存儲(chǔ)的道路數(shù)據(jù)，按照一定算法將車輛位置強(qiáng)制性附合到道路上，從而實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)與電子地圖的匹配。 GPS接收機(jī)與車載計(jì)算機(jī)間的串行通訊—NMEA接收輸出語(yǔ)句本設(shè)計(jì)采用的GPS25 OEM板采用NMEA 0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式，可以輸出多種句型，均以字符“$”開頭的ASCII碼字符，其內(nèi)容包含了緯度，經(jīng)度，高程，速度，日期，時(shí)間，航向，衛(wèi)星狀況等信息。 本課題將利用Visual C++的MSComm通訊控件，將GPS的數(shù)據(jù)采集到車載計(jì)算機(jī)中，并且每隔一秒鐘接收一次衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)中GPS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。程序設(shè)計(jì)中，對(duì)串行口的操作包括:串行口的初始化: 設(shè)置串行口的端口，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，波特率設(shè)為4800bps。接收一幀ASCII碼字符信息。數(shù)據(jù)處理。接收下一幀ASCII碼字符信息。數(shù)據(jù)處理。如此循環(huán)往復(fù)。在數(shù)據(jù)處理過程中，針對(duì)需要的定位信息的要求，設(shè)計(jì)了如下的串行通訊思想:(1)由于接收到的定位數(shù)據(jù)語(yǔ)句很多，而我們僅需要定位語(yǔ)句起始標(biāo)志為$GPRMC”的語(yǔ)句，因此必須對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理，才能得到所需的定位語(yǔ)句，因此判斷“$GPRMC”成為過濾的一個(gè)條件。是一個(gè)判斷的據(jù)。(2)定位語(yǔ)句起始標(biāo)志為“$GPRMC39。.”的定位語(yǔ)句中，$GPRMC”后面的59個(gè)字符是有用的信息，所以以“59”作為判斷定位語(yǔ)句完整的依據(jù)。(3)但是，在數(shù)據(jù)接收的過程中往往會(huì)有兩種情況，一種情況是每幀會(huì)得到一個(gè)以“$GPRMC”開頭的完整語(yǔ)句，另一種情況是上一幀的后半部分再加下一幀的前一部分共同組成一個(gè)完整的以“$GPRMC”開頭的定位語(yǔ)句。因此程序設(shè)計(jì)中必須分兩種情況對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?；谝陨先c(diǎn)，設(shè)計(jì)對(duì)串行口數(shù)據(jù)通訊的程序流程圖如下圖41所示。數(shù)據(jù)的截取就是當(dāng)接收到一幀完整的定位語(yǔ)句起始標(biāo)志為“$GPRMC的定位語(yǔ)句時(shí)，必須對(duì)定位語(yǔ)句進(jìn)行分段截取，以獲得確切的經(jīng)、緯度、行車速度以及時(shí)間等信息，由于接收到的數(shù)據(jù)以“，”的形式存儲(chǔ)，可通過查找“，”位置對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行按位分段截取。本章對(duì)接收機(jī)與車載計(jì)算機(jī)間的串行通訊作了設(shè)計(jì)，將GPS信號(hào)與電子地圖中的道路相匹配，成功解決了GPS單點(diǎn)定位帶來的精度不高的問題。第4章 接收機(jī)與計(jì)算機(jī)間通訊的連接設(shè)計(jì) 圖 41 數(shù)據(jù)通訊程序流程圖 圖42 串行口數(shù)據(jù)通訊的程序流程圖第5章 定位導(dǎo)航系統(tǒng)的路徑尋優(yōu)控制第5章 定位導(dǎo)航系統(tǒng)的路徑尋優(yōu)控制基于前面的電子地圖的道路網(wǎng)絡(luò)，如何利用地理信息系統(tǒng)的空間優(yōu)勢(shì)，快速生成通往目的地的最短行車路線呢?這也是本課題設(shè)計(jì)的車載定位導(dǎo)航